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EP2095507A1 - Procede de detection d'impulsions laser au moyen d'une matrice de photodetecteurs - Google Patents

Procede de detection d'impulsions laser au moyen d'une matrice de photodetecteurs

Info

Publication number
EP2095507A1
EP2095507A1 EP08708853A EP08708853A EP2095507A1 EP 2095507 A1 EP2095507 A1 EP 2095507A1 EP 08708853 A EP08708853 A EP 08708853A EP 08708853 A EP08708853 A EP 08708853A EP 2095507 A1 EP2095507 A1 EP 2095507A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
matrix
integration
detection
pulses
period
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP08708853A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP2095507B1 (fr
Inventor
Michel Prenat
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Thales SA
Original Assignee
Thales SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Thales SA filed Critical Thales SA
Publication of EP2095507A1 publication Critical patent/EP2095507A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP2095507B1 publication Critical patent/EP2095507B1/fr
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K5/00—Manipulating of pulses not covered by one of the other main groups of this subclass
    • H03K5/22—Circuits having more than one input and one output for comparing pulses or pulse trains with each other according to input signal characteristics, e.g. slope, integral
    • H03K5/26—Circuits having more than one input and one output for comparing pulses or pulse trains with each other according to input signal characteristics, e.g. slope, integral the characteristic being duration, interval, position, frequency, or sequence
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F41—WEAPONS
    • F41G—WEAPON SIGHTS; AIMING
    • F41G7/00—Direction control systems for self-propelled missiles
    • F41G7/20—Direction control systems for self-propelled missiles based on continuous observation of target position
    • F41G7/22—Homing guidance systems
    • F41G7/226—Semi-active homing systems, i.e. comprising a receiver and involving auxiliary illuminating means, e.g. using auxiliary guiding missiles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F41—WEAPONS
    • F41G—WEAPON SIGHTS; AIMING
    • F41G7/00—Direction control systems for self-propelled missiles
    • F41G7/20—Direction control systems for self-propelled missiles based on continuous observation of target position
    • F41G7/22—Homing guidance systems
    • F41G7/2273—Homing guidance systems characterised by the type of waves
    • F41G7/2293—Homing guidance systems characterised by the type of waves using electromagnetic waves other than radio waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06—Systems determining position data of a target
    • G01S17/08—Systems determining position data of a target for measuring distance only
    • G01S17/10—Systems determining position data of a target for measuring distance only using transmission of interrupted, pulse-modulated waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06—Systems determining position data of a target
    • G01S17/42—Simultaneous measurement of distance and other co-ordinates
    • G—PHYSICS
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    • G01S3/00—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received
    • G01S3/78—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received using electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S3/782—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction
    • G01S3/783—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction using amplitude comparison of signals derived from static detectors or detector systems
    • G01S3/784—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction using amplitude comparison of signals derived from static detectors or detector systems using a mosaic of detectors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/483—Details of pulse systems
    • G01S7/486—Receivers
    • G01S7/487—Extracting wanted echo signals, e.g. pulse detection

Definitions

  • the field of the invention is that of the detection of laser pulses by means of a matrix of photodetectors.
  • a matrix of photodetectors converts the photons into electrons in proportion to the illumination received by each photodetector in its sensitivity spectral band, then integrating these charges into potential wells and reading these charges.
  • An output register generates, after amplification, an output signal containing the luminance information of the matrix for each of its pixels.
  • the pulse duration "dl" of the illumination laser is of the order of
  • the matrix has an integration time close to one millisecond, which can range, for example, from a value of less than one millisecond to a few milliseconds and a period between two successive integrations typically greater than or equal to 10 ms, this being due to the time required to perform the reading operation; its "form factor" integration is then of the order of 1/10.
  • the integration phases must therefore be synchronized with the arrival times of these pulses. It is therefore necessary to add to the detection matrix a synchronization device able to trigger the integration when a pulse arrives on the matrix.
  • this synchronization device comprises an auxiliary pulse sensor whose receiver is constantly open and fast enough to detect short pulses and accurately determine their arrival time. Knowing the repetition period of the pulses then makes it possible to trigger the integration of the matrix for the following pulses.
  • the matrix is 'slave' of the auxiliary pulse sensor, in that it depends entirely on it for triggering the integration. This process is illustrated by the diagram of FIG. 1 on which are represented as a function of time:
  • the laser pulses emitted at a period T1 the pulses detected by the auxiliary sensor at the same period T1 and the integration phases of the matrix triggered by the auxiliary sensor when a pulse is detected so that the integration is effective from the next pulse.
  • FIG. 2 An example of a known detection system, able to implement this process, is described with reference to FIG. 2; it comprises a matrix 3 of photodetectors coupled to an auxiliary sensor 6 via a processing unit 5.
  • This fast pulse sensor is for example a mono-element analog detector.
  • the sensor 6 is generally placed approximately at the focus of an objective included in an optic 4 ', whose axis passes through the center of the sensor, so that the objective forms on the sensor an image of the point illuminated by the pulses. .
  • the converter 31 of the matrix 3 also receives the photons focused by another optics 4 and converts the received photons into electrons, in proportion to the illumination received by each photodetector. These charges are then integrated by an integrator 32 and then read and amplified by an amplifier-reader 33 which generates an output signal containing the luminance information of the matrix.
  • the sensor 6 is coupled to a processing unit 5 which, among other tasks, controls the detection matrix 3 and in particular the integration phase.
  • the senor 6 transmits the arrival times of the detected pulses to the processor 53 of the unit 5.
  • the latter calculates the instants for triggering the integration and transmits them to a generator 51 of integration start commands. That sends the trigger commands to the integrator 32 of the matrix 3.
  • the detection matrix is more sensitive than the single-element synchronization detector, since this mono-element is very large field, which makes the system inhomogeneous and limited in performance by the auxiliary sensor.
  • the invention makes it possible to eliminate these two disadvantages.
  • the subject of the invention is a method for detecting laser pulses with a predetermined repetition period T1 and of duration d1, having an amplitude jitter tj, the pulses being emitted by a transmitter and detected by means of a matrix photodetectors, the method comprising a step of integrating charges over a predetermined time ti and a period Tm greater than a minimum period Tmin, with ti / Tmin ⁇ 1 and dl ⁇ ti.
  • Tm time-based detection of a signal having the temporal characteristics of the expected laser code, using the matrix associated with the processing unit, without resorting to an auxiliary sensor; during this phase, a specific integration period Tm is used.
  • This method makes it possible to detect the laser pulses without resorting to an auxiliary sensor.
  • the matrix becomes an autonomous pulse detector.
  • the subject of the invention is also a method for locating a target illuminated by laser pulses with a predetermined repetition period T1 and with duration d1, the pulses reflected back by the target being detected by means of a matrix of photodetectors.
  • tj and / or VRc / c and / or ⁇ t are negligible.
  • it furthermore comprises additional integrations inserted between said integrations, the time interval between two integrations being greater than or equal to Tmin. This allows in particular to detect false alarms due for example to a solar reflection.
  • the detection of a pulse comprises a step of comparing said output signal with a predetermined threshold.
  • the invention also relates to a method for designating a target illuminated by laser pulses of period T1, which comprises a step of locating the retro-reflected pulses by the target by means of a matrix of photodetectors, according to the preceding location method. and a step of tracking the target from a non-pulse radiation of said target.
  • the subject of the invention is also a laser pulse detection system which comprises a matrix of photodetectors comprising a charge integration device and a processing unit coupled to the matrix, characterized in that the processing unit comprises means for implementing the detection method described.
  • the invention finally relates to a target location system which comprises a photodetector array comprising a charge integration device and a processing unit coupled to the matrix, characterized in that the processing unit comprises means for implementing the localization method.
  • FIG. 1 already described schematically represents the detection steps of FIG. According to the state of the art
  • FIG. 2 already described, schematically illustrates the main elements of an exemplary laser pulse detection device according to the state of the art
  • FIGS. 3 schematically represent the detection steps.
  • FIG. 6 schematically represents an exemplary device for locating laser pulses retroreflected by a target.
  • the invention relates to the temporal detection of a signal exhibiting the temporal characteristics of the expected laser, by using a photodetector matrix coupled to a processing unit, but without resorting to an auxiliary sensor.
  • the spatial aspect is managed according to the state of the art.
  • the laser pulse detection operates in the following sequential manner: 1: time-based detection of a signal having the expected time characteristics of the expected laser, using only the matrix associated with the processing unit,
  • the problem for the detection of the first pulse comes from the fact that the matrix can only integrate during a fraction of the time equal to its form factor and that the arrival times of the laser pulses are not known.
  • the period of the laser pulses is known to the detection system which comprises the matrix and the associated processing unit, and is for example between 50 ms (20 Hz) and 100 ms (10 Hz).
  • VR is known by the system, with some error.
  • VR VRc + ⁇ v R , where VRc is the known (or measured) part of VR and EVR is the error committed on VR.
  • Tl 100 ms
  • VR 300 m / s, measured with an error ⁇ v R of 75 m / s
  • ie VRc 225 m / s.
  • TIr 100 ms - 100 ns
  • the matrix typically has an integration time ti of 1 ms and a period greater than 10 ms (frequency less than 100 Hz).
  • the "form factor" is therefore typically less than 1/10. It is possible to control the start times of each integration phase.
  • the pulses have a jitter of ⁇ 20 ⁇ s for example around the nominal positions that is to say periodic positions. The jitter is independent from one pulse to the next and assumed uniformly distributed between -20 and +20 ⁇ s.
  • step 1 of detecting the first pulse is carried out in two sub-steps: 1 a) Knowing the period of the laser T1, one chooses for the period of integration of the matrix Tm the smallest submultiple of Tl + ti - tj greater than Tmin, that is:
  • Tm (Tl + ti - tj) / E ((TI + ti - tj) / Tmin)
  • Tmin minimum integration period of the matrix
  • Tl 75 ms
  • ti 1 ms
  • tj 40 ⁇ s
  • Tmin 10 ms.
  • this choice ensures that Tm is not a submultiple of Tl, otherwise there would be a significant risk that there would never be detection: this risk would be of the order of 90% for an integration form factor of 10%.
  • FIG. 4a represents the probability of detection of a first pulse as a function of time. In our example, this time is substantially between 0 and 814 ms, with an average of 407 ms. In practice, a substantially uniform distribution is obtained with a maximum value of 890 ms and an average value of 420 ms.
  • phase of the first laser pulse that is to say its instant of arrival with respect to any instant taken as the origin of the times and as the beginning of the first integration by the matrix.
  • jitter The jitter whose characteristics have been described above.
  • the transition to the detection of the following pulses of step 2, also referred to as the tracking phase, is based on the fact that the period of the laser pulses T1 is known. However, it is necessary to take into account the jitter phenomenon, the variation of Tl due to the approximation between the transmitter of the pulses and the matrix and the possible error on the knowledge of this variation, as well as the fact that the first pulse detected can be find at one end of the integration time.
  • I0 be the integration start time of the first detected pulse and tiO the duration of this integration, referred to as ti so far.
  • Tl ' Tl (1 - VRc / c)
  • the integration duration then being equal to tiO + 2 ⁇ t
  • the other start times integration (12, ... In) are deduced from 11 by an offset of Tl ', 2Tl', ... (n-1) Tl ', the integration times tin being equal to ti ⁇ + 2 ⁇ t.
  • pd is not very close to 1, then as indicated above, the probability that two consecutive pulses in position to be detected are not detected, which is equal to ⁇ pd 2 , is no longer negligible and the maximum acquisition time is equal to px tmax, where p is the number of successive detection attempts necessary to obtain a positive result, for pulses which are in position to be detected.
  • a particular case of false alarm may be due to the presence of a persistent and very luminous phenomenon, such as for example a solar reflection, that the matrix can not distinguish from a short pulse . It is then possible to insert between the previous integrations other integration phases which, if they lead to detecting a strong signal, indicate the presence of a persistent signal, therefore a false alarm.
  • the converter 31 of the matrix 3 receives the photons focused by the optics 4 and converts the received photons into electrons, in proportion to the illumination received by each photodetector. These charges are then integrated by an integrator 32 then read and amplified by an amplifier reader 33 which generates an output signal containing the luminance information of the matrix.
  • This signal is also transmitted to the processing unit 5 to which the matrix 3 is coupled: it is transmitted to a comparator 52 which transmits a signal to the processor 53 if this signal is greater than a luminance threshold, which notably makes it possible to confirm a detection.
  • the processor calculates the integration period of the integrator 32 (Tm for step 1 and then Tl 'for step 2) and the instants 10, 11, In of beginning of integration as well as the integration times ( ti then ti + 2 ⁇ t) and communicates this information to the generator 51 of the integration commands. This one generates the trigger commands and the end of the integration and sends them to the integrator 32 of the matrix.
  • This matrix is for example a silicon or InGaAs matrix, sensitive to radiation at the possible wavelengths of the laser pulses.
  • This detection method is applied to the location of an illuminated target by laser pulses of known period and short duration.
  • a target location system described in connection with FIG. 6 is typically equipped with a location device responsive to laser pulses retroreflected by the target.
  • the location conventionally uses a deviation calculation that determines the angular difference between the line of sight and the direction of the target illuminated by the laser of an associated transmitter.
  • the direction of this target is marked from its position in the image plane of a detector 3.
  • the deviation measurement is obtained by a processing unit 5, whose processor 53 calculates the angular deflection from the line of sight and coordinates provided by the detector 3. This is called spatial location.
  • the detector 3 typically comprises a matrix of photodetectors (or pixels) placed in the focal plane of a focusing objective included in the optic 4, so that the objective forms on the detector an image T of the illuminated spot. target.
  • the photodetectors of the detection matrix are sensitive in the wavelength band of the transmitted laser pulses, for example 1, 06 ⁇ m; the material commonly used for this wavelength is silicon.
  • the angular deviation is calculated from the coordinates of the center of the image T of the spot whose pixels are marked in vertical position and in horizontal position respectively on axes of symmetry of the matrix.
  • the locating device usually comprises a synchronization device provided with a sensor such as a monoelement detector described in relation with FIG. 2, able to synchronize the initiation of the integration phases of the location matrix with the arrival times. pulses on the matrix.
  • a synchronization device provided with a sensor such as a monoelement detector described in relation with FIG. 2, able to synchronize the initiation of the integration phases of the location matrix with the arrival times. pulses on the matrix.
  • this synchronization is provided by the matrix itself associated with the processing unit, according to a localization method according to the previously described method, which makes the sensor superfluous.
  • This sensor is replaced by this process implemented by the processing unit.
  • This locating method is applied to a target illuminated by laser pulses of predetermined repetition period T1 and of duration d1, the pulses reflected back by the target being detected by means of a matrix of photodetectors; it comprises a charge integration step according to an integration period Tm greater than a minimum period Tmin and on a predetermined integration time ti with ti / Tmin ⁇ 1 and dl ⁇ ti.
  • This locating method can be used in a method for designating a target illuminated by laser pulses with a repetition period T1.
  • This method also comprises, in addition to this locating step, a step of tracking the target from a non-irradiated radiation. pulse of said target.

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Description

PROCEDE DE DETECTION D'IMPULSIONS LASER AU MOYEN D'UNE MATRICE DE
PHOTODETECTEURS
Le domaine de l'invention est celui de la détection d'impulsions laser au moyen d'une matrice de photodétecteurs.
On rappelle qu'une matrice de photodétecteurs effectue une conversion des photons en électrons proportionnellement à l'éclairement reçu par chaque photodétecteur dans sa bande spectrale de sensibilité, puis une intégration de ces charges dans des puits de potentiel et une lecture de ces charges. Un registre de sortie génère après amplification un signal de sortie contenant les informations de luminance de la matrice pour chacun de ses pixels. La durée d'impulsion « dl » du laser d'illumination est de l'ordre de
10 ns et la fréquence de répétition typiquement comprise entre 10 et 20 Hz soit une période comprise entre 50 et 100 ms. La matrice a une durée d'intégration voisine de une milliseconde pouvant aller par exemple d'une valeur inférieure à une milliseconde à quelques millisecondes et une période entre deux intégrations successives typiquement supérieure ou égale à 10 ms, ceci étant dû au temps nécessaire pour effectuer l'opération de lecture ; son "facteur de forme" d'intégration est alors de l'ordre de 1/10. Les phases d'intégration doivent donc être synchronisées avec les instants d'arrivée de ces impulsions. Il s'avère donc nécessaire d'adjoindre à la matrice de détection un dispositif de synchronisation apte à déclencher l'intégration lorsqu'une impulsion arrive sur la matrice. Classiquement ce dispositif de synchronisation comprend un capteur d'impulsions auxiliaire dont le récepteur est constamment ouvert et suffisamment rapide pour détecter des impulsions courtes et déterminer avec précision leur instant d'arrivée. La connaissance de la période de répétition des impulsions permet alors de déclencher l'intégration de la matrice pour les impulsions suivantes. Ainsi, dans l'art antérieur, la matrice est 'esclave' du capteur d'impulsions auxiliaire, en ce sens qu'elle dépend entièrement de lui pour le déclenchement de l'intégration. Ce processus est illustré par le schéma de la figure 1 sur lequel sont représentées en fonction du temps :
- les impulsions laser émises à une période Tl, les impulsions détectées par le capteur auxiliaire à la même période Tl et, les phases d'intégration de la matrice déclenchées par le capteur auxiliaire lorsqu'une impulsion est détectée pour que l'intégration soit effective à partir de l'impulsion suivante.
Un exemple de système de détection connu, apte à mettre en œuvre ce processus, est décrit en relation avec la figure 2 ; il comprend une matrice 3 de photodétecteurs couplée à un capteur auxiliaire 6 via une unité de traitement 5.
Ce capteur d'impulsions rapide est par exemple un détecteur analogique monoélément. Le capteur 6 est généralement placé approximativement au foyer d'un objectif inclus dans une optique 4', dont l'axe passe par le centre du capteur, de telle sorte que l'objectif forme sur le capteur une image du point illuminé par les impulsions. Le convertisseur 31 de la matrice 3 reçoit également les photons focalisés par une autre optique 4 et convertit les photons reçus en électrons, proportionnellement à l'éclairement reçu par chaque photodétecteur. Ces charges sont ensuite intégrées par un intégrateur 32 puis lues et amplifiées par un lecteur- amplificateur 33 qui génère un signal de sortie contenant les informations de luminance de la matrice. Le capteur 6 est couplé à une unité de traitement 5 qui entre autres tâches, commande la matrice de détection 3 et notamment la phase d'intégration. Plus précisément le capteur 6 transmet les instants d'arrivée des impulsions détectées au processeur 53 de l'unité 5. Celui-ci calcule les instants de déclenchement de l'intégration et les transmet à un générateur 51 de commandes de début d'intégration. Celui envoie les commandes de déclenchement à l'intégrateur 32 de la matrice 3.
Le principe précédemment décrit présente un double inconvénient : - la complexité et le coût car deux capteurs sont nécessaires pour assurer la fonction de détection,
- la performance : en effet, la matrice de détection est plus sensible que le détecteur mono-élément de synchronisation, puisque ce mono-élément est très grand champ, ce qui rend le système inhomogène et limité en performance par le capteur auxiliaire. L'invention permet de supprimer ces deux inconvénients.
Plus précisément l'invention a pour objet un procédé de détection d'impulsions laser de période de répétition Tl prédéterminée et de durée dl, présentant une gigue d'amplitude tj, les impulsions étant émises par un émetteur et détectées au moyen d'une matrice de photodétecteurs, le procédé comportant une étape d'intégration de charges sur une durée ti prédéterminée et selon une période Tm supérieure à une période minimale Tmin, avec ti/Tmin < 1 et dl<ti. Il est principalement caractérisé en ce que l'étape d'intégration comprend une première sous-étape pendant laquelle Tm est le plus petit sous-multiple de Tl+ti-tj supérieur à Tmin jusqu'à la détection d'une première impulsion, une deuxième sous-étape avec Tm égale à Tl' pendant la détection des impulsions suivantes dite phase de poursuite, avec Tl' = Tl x (1 - VRc/c), où VRc est la vitesse de rapprochement entre l'émetteur des impulsions et la matrice, c la vitesse de la lumière dans l'air.
La détection d'impulsions laser fonctionne de la façon séquentielle suivante :
1 : détection sur le plan temporel d'un signal présentant les caractéristiques temporelles du code laser attendu, en utilisant la matrice associée à l'unité de traitement, sans recourir à un capteur auxiliaire ; on utilise pendant cette phase une période d'intégration Tm spécifique.
2 : confirmation de la détection de cette première impulsion et détection des impulsions laser suivantes. On utilise pendant cette phase une période d'intégration Tl' ; celle-ci est différente de la période Tl des impulsions émises par le laser en raison de la vitesse de rapprochement entre l'émetteur des impulsions et la matrice.
Ce procédé permet d'assurer la détection des impulsions laser sans recourir à un capteur auxiliaire. La matrice devient un détecteur d'impulsions autonome.
L'invention a aussi pour objet un procédé de localisation d'une cible illuminée par des impulsions laser de période de répétition Tl prédéterminée et de durée dl, les impulsions rétro-réfléchies par la cible étant détectées au moyen d'une matrice de photodétecteurs, qui comprend une étape d'intégration de charges selon une période d'intégration Tm supérieure à une période minimale Tmin et sur une durée d'intégration ti prédéterminée avec ti/Tmin < 1 et dl<ti, caractérisé en ce que l'étape d'intégration comprend une première sous-étape pendant laquelle Tm est le plus petit sous-multiple de Tl+ti-tj supérieur à Tmin jusqu'à la détection de la première impulsion, une deuxième sous-étape avec Tm égale à Tl' pendant la détection des impulsions suivantes dite phase de poursuite, avec Tl' = Tl x (1 - VRc/c), où VRc est la vitesse de rapprochement entre la cible et la matrice, c la vitesse de la lumière dans l'air.
Selon une caractéristique de l'invention, ti étant la durée d'intégration pendant la première sous-étape, et la vitesse VRc étant déterminée avec une erreur, la durée d'intégration pendant la deuxième sous-étape est égale à ti+2δt, avec δt = tj + (SVR /C) X TR + dl , OÙ εVR est un majorant de la valeur absolue de l'erreur sur la vitesse VRc, et TR est un majorant de la durée de la phase de poursuite. Dans le cas de l'alternative qui consiste à prendre TT=TI, on prendra δt = tj + (VRmax /c) x TR + dl , où VRmax est un majorant de la valeur absolue de la vitesse VRc et TR est un majorant de la durée de la phase de poursuite.
Selon une caractéristique de l'invention, tj et/ou VRc/c et/ou δt sont négligeables. Eventuellement il comprend en outre des intégrations supplémentaires intercalées entre lesdites intégrations, l'intervalle de temps entre deux intégrations étant supérieur ou égal à Tmin. Ceci permet notamment de détecter des fausses alarmes dues par exemple à un reflet solaire. La matrice de photodétecteurs fournissant un signal de sortie, la détection d'une impulsion comprend une étape de comparaison dudit signal de sortie avec un seuil prédéterminé.
L'invention concerne également un procédé de désignation d'une cible illuminée par des impulsions laser de période Tl qui comprend une étape de localisation des impulsions rétro-réfléchies par la cible au moyen d'une matrice de photodétecteurs, selon le procédé de localisation précédent et une étape de poursuite de la cible à partir d'un rayonnement non impulsionnel de ladite cible.
Enfin, l'invention a aussi pour objet un système de détection d'impulsions laser qui comprend une matrice de photodétecteurs comportant un dispositif d'intégration de charges et une unité de traitement couplée à la matrice, caractérisé en ce que l'unité de traitement comprend des moyens de mise en œuvre du procédé de détection décrit.
L'invention a enfin pour objet un système de localisation d'une cible qui comprend une matrice de photodétecteurs comportant un dispositif d'intégration de charges et une unité de traitement couplée à la matrice, caractérisé en ce que l'unité de traitement comprend des moyens de mise en œuvre du procédé de localisation.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 déjà décrite représente schématiquement les étapes de détection d'impulsions laser selon l'état de la technique, la figure 2 déjà décrite représente schématiquement les principaux éléments d'un exemple de dispositif de détection d'impulsions laser selon l'état de la technique, les figures 3 représentent schématiquement les étapes de détection d'impulsions laser selon un exemple de mode d'exploitation de l'invention : jusqu'à la première détection (figure 3a), puis les détections suivantes (figure 3b), les figures 4 illustrent les temps moyens d'acquisition d'une première impulsion selon l'invention dans un cas simplifié (figure 4a) et dans un cas plus réaliste (figure 4b), la figure 5 représente schématiquement les principaux éléments d'un exemple d'un système de détection d'impulsions laser selon l'invention, la figure 6 représente schématiquement un exemple de dispositif de localisation d'impulsions laser rétroréfléchies par une cible.
D'une figure à l'autre, les mêmes éléments sont repérés par les mêmes références.
Dans son application principale, l'invention concerne la détection sur le plan temporel d'un signal présentant les caractéristiques temporelles du laser attendu, en utilisant une matrice de photodétecteurs couplée à une unité de traitement, mais sans recourir à un capteur auxiliaire. L'aspect spatial est géré selon l'état de l'art.
La détection d'impulsions laser fonctionne de la façon séquentielle suivante : 1 : détection sur le plan temporel d'un signal présentant les caractéristiques temporelles du laser attendu, en utilisant seulement la matrice associée à l'unité de traitement,
2 : confirmation de la détection de cette première impulsion et détection des impulsions laser suivantes aussi désignée phase de poursuite. On décrit dans un premier temps un mode de réalisation avec les caractéristiques de détection élémentaire suivantes : a - quand une impulsion laser est présente pendant la durée d'intégration, sa détection est sûre, ce que l'on traduit par une probabilité de détection pd =1 , b - s'il n'y a pas d'impulsion laser pendant la durée d'intégration, il n'y a pas de fausse détection ce que l'on traduit par une probabilité de fausse détection ou fausse alarme pfa = 0.
Le problème pour la détection de la première impulsion vient du fait que la matrice ne peut intégrer que pendant une fraction du temps égale à son facteur de forme et que les instants d'arrivée des impulsions laser ne sont pas connus.
On rappelle que la période des impulsions laser est connue du système de détection qui comprend la matrice et l'unité de traitement associée, et est par exemple comprise entre 50 ms (20 Hz) et 100 ms (10 Hz).
Or la période des impulsions laser reçues au niveau de la matrice, notée TIr1 est en général différente de la période Tl des impulsions émises par le laser ; elles sont liées par la formule TIr = Tl x (1 - VR/c) où VR est la vitesse de rapprochement entre l'émetteur des impulsions et la matrice (VR étant positif en cas de rapprochement), et c est la vitesse de la lumière dans le milieu considéré. En général, VR est connue par le système, avec une certaine erreur. On écrira VR = VRc + εvR, où VRc est la partie connue (ou mesurée) de VR et EVR est l'erreur commise sur VR. On en déduit que
TIr = Tl' + ετι, avec Tl' = Tl x (1 - VRc/c) et εTι = -Tl * εVR /c. Prenons un exemple numérique pour illustrer ces valeurs : soit Tl = 100 ms, VR = 300 m/s, mesurée avec une erreur εvR de 75 m/s, soit VRc = 225 m/s. Alors on voit que dans ce cas, TIr = 100 ms - 100 ns, Tl' = 100 ms - 75 ns et ετt = - 25 ns.
La matrice a typiquement un temps d'intégration ti de 1 ms et une période supérieure à 10 ms (fréquence inférieure à 100 Hz). Le "facteur de forme" est donc typiquement inférieur à 1/10. Il est possible de commander les instants de début de chaque phase d'intégration. Les impulsions présentent une gigue de ± 20 μs par exemple autour des positions nominales c'est-à-dire des positions périodiques. La gigue est indépendante d'une impulsion à la suivante et supposée uniformément répartie entre -20 et +20 μs.
Selon ce mode de réalisation, l'étape 1 de détection de la première impulsion, illustrée figure 3a, s'effectue en deux sous-étapes : 1 a) Connaissant la période du laser Tl, on choisit pour la période d'intégration de la matrice Tm le plus petit sous-multiple de Tl + ti - tj supérieur à Tmin, soit :
Tm = (Tl + ti - tj) / E ((TI + ti - tj) / Tmin)
ti = durée d'intégration de la matrice tj = amplitude totale de la gigue du laser
Tmin = période d'intégration minimale de la matrice
E = partie entière Dans cette étape, l'erreur possible commise sur la connaissance de Tl est négligée.
On a dans notre exemple :
Tl = 75 ms, ti = 1 ms, tj = 40 μs, Tmin = 10 ms.
On obtient alors : Tm = 75,96 / E(75, 06/10) = 75,96 / 7 = 10,8514 ms
Avec les ordres de grandeur qui correspondent à la réalité du problème, ce choix garantit que Tm n'est pas un sous-multiple de Tl. Dans le cas contraire, il y aurait un risque important pour qu'il n'y ait jamais de détection : ce risque serait de l'ordre de 90 % pour un facteur de forme d'intégration de 10%.
1 b) On fait fonctionner la matrice jusqu'à la première détection.
Un calcul approché indique que le temps nécessaire pour atteindre la première détection est sensiblement uniformément réparti entre 0 et tmax = Tl x Tm / ti. On se reportera à la figure 4a qui représente la probabilité de détection d'une première impulsion en fonction du temps. Dans notre exemple, ce temps est sensiblement compris entre 0 et 814 ms, avec une moyenne de 407 ms. Dans la pratique, on obtient une répartition sensiblement uniforme avec une valeur maximale de 890 ms et une valeur moyenne de 420 ms.
Cette répartition pas tout à fait uniforme et la légère différence entre le calcul approché et le résultat pratique proviennent de la conjonction de deux phénomènes aléatoires :
- La "phase" de la première impulsion laser, c'est-à-dire son instant d'arrivée par rapport à un instant quelconque pris comme origine des temps et comme début de la première intégration par la matrice. - La gigue dont les caractéristiques ont été décrites plus haut.
Ces phénomènes aléatoires ont des conséquences sur la deuxième étape de confirmation et détection des impulsions suivantes comme le montre la figure 3b.
Le passage en détection des impulsions suivantes de l'étape 2 aussi désignée phase de poursuite, est basé sur le fait que la période des impulsions laser Tl est connue. Il faut cependant prendre en compte le phénomène de gigue, la variation de Tl due au rapprochement entre l'émetteur des impulsions et la matrice et l'erreur possible sur la connaissance de cette variation, ainsi que le fait que la première impulsion détectée peut se trouver à une des extrémités de la durée d'intégration.
Soit IO l'instant de début d'intégration de la première impulsion détectée et tiO la durée de cette intégration, désignée ti jusqu'à présent. Soient 11 , 12, ...In les instants de début d'intégration suivants. 11 se déduit de IO par un décalage égal Tl' - δt, où Tl' = Tl (1 - VRc/c), la durée d'intégration étant alors égale à tiO + 2δt ; ensuite les autres instants de début d'intégration (12, ... In) se déduisent de 11 par un décalage de Tl', 2Tl', ... (n- 1 ) Tl', les durées d'intégration tin étant égales à tiθ+2δt. On peut dire de façon équivalente que les milieux des durées d'intégration n° 1 , 2, ..., n, sont décalés du milieu de la durée d'intégration n° 0 (pendant laquelle s'est produite la première détection) respectivement de Tl', 2Tl', ... nTI'. Ceci est illustré par la figure 3b qui fait en outre apparaître des phases d'intégration supplémentaires explicitées un peu plus loin.
Pour prendre en compte les phénomènes cités précédemment (gigue, erreur sur TIr, détection de la première impulsion en bord de durée d'intégration), on prend par exemple δt = tj + (εVR /c) TR + dl, où SVR est un majorant de la valeur absolue de l'erreur commise sur la vitesse de déplacement entre l'émetteur des impulsions et la matrice, c est la vitesse de la lumière dans l'air et TR est un majorant de la durée de la phase de poursuite. Dans la pratique, δt est petit devant ti. Une alternative, utilisable dans le cas où le système ne dispose pas de mesure de VR, consiste à prendre
Tl' = Tl et δt = tj + (VRmax /c)TR + dl, où VRmax est un majorant de la valeur absolue de la vitesse de déplacement entre l'émetteur des impulsions et la matrice. Dans ce cas, comme pd=1 , la détection des impulsions suivantes
(c'est-à-dire consécutives à la première) est sûre ; il n'y a pas à proprement parler de confirmation, puisque à chaque nouvelle intégration, l'impulsion laser est détectée.
Comme indiqué précédemment, ce mode de réalisation suppose que pd = 1 et pfa = 0. Dans la réalité, la sensibilité de la matrice est suffisamment bonne pour s'approcher de ces valeurs, mais on a en fait : pd = 1-ε Pd où ε pd est petit devant 1 et pfa non nulle, mais petite devant 1. Pour ce qui concerne le fait que pd = 1 -ε pd, l'étape 1 de détection de la première impulsion n'a pas à être modifiée ; en effet, si la première impulsion détectable n'est pas détectée, le système ne s'en rend pas compte et continuera avec la même période de répétition Tm jusqu'à ce qu'une autre impulsion soit à nouveau en position d'être détectée, ce qui se produira après une durée égale à tmax = Tl x Tm / ti (814 ms dans l'exemple). Une probabilité de fausse alarme non nulle conduit à distinguer deux cas pour l'étape 2 de confirmation et de détection des impulsions suivantes.
- Si la première détection précédente (entre IO et 10+tiO) est une fausse alarme, il est très vraisemblable qu'elle ne sera pas confirmée pendant l'intégration ti1 de la supposée deuxième impulsion, débutant à 11. La confirmation est par exemple basée sur la comparaison des niveaux de luminance à un seuil minimal. Il faut alors reprendre la recherche de détection là où elle était, c'est-à-dire en reprenant exactement la période Tm et le temps d'intégration ti, ce qui est justifié par le fait que 11 n'a en rien modifié le phasage du processus de recherche. L'effet sur le temps d'acquisition est très réduit : il se trouve augmenté de Tl'.
- Sinon, il est très vraisemblable que Ia détection de la deuxième impulsion sera confirmée à I1 +ti1 et le processus de détection des impulsions suivantes pourra continuer. On suppose que ce n'est pas une fausse alarme et on commande l'intégration suivante avec un écart de temps égal à Tl' afin de confirmer la première détection.
Ceci a un double effet : la probabilité de fausse alarme se trouve élevée au carré, donc devient dans la pratique quasiment nulle, et le temps d'acquisition se trouve augmenté de TI'. Si nécessaire, ce processus peut être répété.
La densité de probabilité des temps d'acquisition se trouve alors modifiée sensiblement comme illustré figure 4b. Comme pd est proche de 1 (pd = 1 -ε Pd), la probabilité Pd d'avoir détecté une première impulsion à 2 tmax, est égale à : pd + pd (1 -pd), soit Pd = 1 - ε pd 2 qui vaut donc quasiment 1 . Avec une telle distribution, le temps moyen d'acquisition se trouve augmenté d'une quantité égale à tmax x ε pd, donc très faiblement (il reste très peu supérieur à tmax / 2), mais le temps maximum d'acquisition se trouve multiplié par 2. Dans la réalité, le temps d'acquisition peut encore être augmenté, si deux impulsions de suite en position d'être détectées ne sont pas détectées, ce qui se produit avec une probabilité égale à ε p(j 2.
Ce raisonnement se généralise au cas où pfa n'est pas très proche de 0 et où pd n'est pas très proche de 1 . Si pfa n'est pas très proche de 0, l'absence de confirmation peut intervenir plus tard dans la phase dite 'de poursuite' ; en suivant la même logique que décrite précédemment, on voit que le temps d'acquisition sera augmenté de k x Tl' au lieu de Tl', k étant le nombre de fausses alarmes successives.
Si pd n'est pas très proche de 1 , alors comme indiqué ci-dessus, la probabilité pour que deux impulsions consécutives en position d'être détectées ne soient pas détectées, qui est égale à ε pd 2, n'est plus négligeable et le temps maximum d'acquisition est égal à p x tmax, où p est le nombre de tentatives successives de détection nécessaires pour obtenir un résultat positif, pour des impulsions qui sont en position d'être détectées.
Dans cette phase de confirmation / poursuite, un cas particulier de fausse alarme peut être dû à la présence d'un phénomène persistant et très lumineux, comme par exemple un reflet solaire, que la matrice ne sait pas distinguer d'une impulsion de courte durée. Il est alors possible d'intercaler entre les intégrations précédentes d'autres phases d'intégration qui, si elles conduisent à détecter un signal fort, indiqueront la présence d'un signal persistant, donc d'une fausse alarme.
On va à présent décrire les principaux éléments d'un système de détection d'impulsions laser selon l'invention en se reportant à la figure 5.
Le convertisseur 31 de la matrice 3 reçoit les photons focalisés par l'optique 4 et convertit les photons reçus en électrons, proportionnellement à l'éclairement reçu par chaque photodétecteur. Ces charges sont ensuite intégrées par un intégrateur 32 puis lues et amplifiées par un lecteur-amplificateur 33 qui génère un signal de sortie contenant les informations de luminance de la matrice.
Ce signal est également transmis à l'unité de traitement 5 à laquelle la matrice 3 est couplée : il est transmis à un comparateur 52 qui transmet un signal au processeur 53 si ce signal est supérieur à un seuil de luminance ce qui permet notamment de confirmer une détection. Le processeur calcule la période d'intégration de l'intégrateur 32 (Tm pour l'étape 1 puis Tl' pour l'étape 2) et les instants 10, 11 , In de début d'intégration ainsi que les durées d'intégration (ti puis ti + 2 δt) et communique ces informations au générateur 51 des commandes d'intégration. Celui-ci génère les commandes de déclenchement et de fin de l'intégration et les envoie à l'intégrateur 32 de la matrice.
Cette matrice est par exemple une matrice en silicium ou en InGaAs, sensible à un rayonnement aux longueurs d'onde possibles des impulsions laser.
Ce procédé de détection est appliqué à la localisation d'une cible illuminée par des impulsions laser de période connue et de durée courte.
Un système de localisation d'une cible décrit en relation avec la figure 6, est typiquement équipé d'un dispositif de localisation sensible aux impulsions laser rétroréfléchies par la cible.
La localisation utilise classiquement un calcul d'écartométrie qui détermine l'écart angulaire entre l'axe de sa ligne de visée et la direction de la cible illuminée par le laser d'un émetteur associé. La direction de cette cible est repérée à partir de sa position dans le plan image d'un détecteur 3.
L'écartométrie est obtenue par une unité de traitement 5, dont le processeur 53 calcule la déviation angulaire à partir de l'axe de visée et des coordonnées fournies par le détecteur 3. On parle alors de localisation spatiale. Le détecteur 3 comprend typiquement une matrice de photodétecteurs (ou pixels) placée dans le plan focal d'un objectif de focalisation inclus dans l'optique 4, de telle sorte que l'objectif forme sur le détecteur une image T de la tache illuminée sur la cible. Les photodétecteurs de la matrice de détection sont sensibles dans la bande de longueur d'onde des impulsions laser émises, par exemple 1 ,06 μm ; le matériau couramment utilisé pour cette longueur d'onde est le silicium.
La déviation angulaire est calculée à partir des coordonnées du centre de l'image T de la tache dont les pixels sont repérés en position verticale et en position horizontale respectivement sur des axes de symétrie de la matrice.
Le dispositif de localisation comprend habituellement un dispositif de synchronisation muni d'un capteur tel qu'un détecteur monoélément décrit en relation avec la figure 2, apte à synchroniser le déclenchement des phases d'intégration de la matrice de localisation avec les instants d'arrivée des impulsions sur la matrice. Selon l'invention cette synchronisation est assurée par la matrice elle-même associée à l'unité de traitement, selon un procédé de localisation conforme au procédé précédemment décrit, ce qui rend le capteur superflu.
Ce capteur est remplacé par ce procédé mis en œuvre par l'unité de traitement.
Ce procédé de localisation s'applique à une cible illuminée par des impulsions laser de période de répétition Tl prédéterminée et de durée dl, les impulsions rétro-réfléchies par la cible étant détectées au moyen d'une matrice de photodétecteurs ; il comprend une étape d'intégration de charges selon une période d'intégration Tm supérieure à une période minimale Tmin et sur une durée d'intégration ti prédéterminée avec ti/Tmin < 1 et dl<ti. L'étape d'intégration comprend une première sous-étape pendant laquelle Tm est le plus petit sous-multiple de Tl+ti-tj supérieur à Tmin jusqu'à la détection de la première impulsion, une deuxième sous-étape avec Tm égale à Tl' pendant la détection des impulsions suivantes dite phase de poursuite, avec Tl' = Tl x (1 - VRc/c), où VRc est la vitesse de rapprochement entre la cible et la matrice, c la vitesse de la lumière dans l'air.
Ce procédé de localisation peut être utilisé dans un procédé de désignation d'une cible illuminée par des impulsions laser de période de répétition Tl. Ce procédé comprend outre cette étape de localisation, une étape de poursuite de la cible à partir d'un rayonnement non impulsionnel de ladite cible.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de détection d'impulsions laser de période de répétition Tl prédéterminée et de durée dl, présentant une gigue d'amplitude tj, les impulsions étant émises par un émetteur et détectées au moyen d'une matrice de photodétecteurs, le procédé comportant une étape d'intégration de charges sur une durée ti prédéterminée et selon une période Tm supérieure à une période minimale Tmin, avec ti/Tmin < 1 et dl<ti, caractérisé en ce que l'étape d'intégration comprend une première sous-étape pendant laquelle Tm est le plus petit sous- multiple de Tl+ti-tj supérieur à Tmin jusqu'à la détection d'une première impulsion, une deuxième sous-étape avec Tm égale à Tl' pendant la détection des impulsions suivantes dite phase de poursuite, avec Tl' = Tl x (1 - VRc/c), où VRc est la vitesse de rapprochement entre l'émetteur des impulsions et la matrice, c la vitesse de la lumière dans l'air.
2. Procédé de localisation d'une cible illuminée par des impulsions laser de période de répétition Tl prédéterminée et de durée dl, les impulsions rétro-réfléchies par la cible étant détectées au moyen d'une matrice de photodétecteurs, qui comprend une étape d'intégration de charges selon une période d'intégration Tm supérieure à une période minimale Tmin et sur une durée d'intégration ti prédéterminée avec ti/Tmin < 1 et dl<ti, caractérisé en ce que l'étape d'intégration comprend une première sous-étape pendant laquelle Tm est le plus petit sous-multiple de Tl+ti-tj supérieur à Tmin jusqu'à la détection de la première impulsion, une deuxième sous-étape avec Tm égale à Tl' pendant la détection des impulsions suivantes dite phase de poursuite, avec Tl' = Tl x (1 - VRc/c), où VRc est la vitesse de rapprochement entre la cible et la matrice, c la vitesse de la lumière dans l'air.
3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que VRc/c est négligeable.
4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ti étant la durée d'intégration pendant la première sous-étape, et la vitesse VRc étant déterminée avec une erreur, la durée d'intégration pendant la deuxième sous-étape est égale à ti+2δt, avec δt = tj + (EVR Ic) x TR + dl , où EVR est un majorant de la valeur absolue de l'erreur sur la vitesse VRc, et TR est un majorant de la durée de la phase de poursuite.
5. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ti étant la durée d'intégration pendant la première sous-étape, la durée d'intégration pendant la deuxième sous-étape est égale à ti+2δt, avec δt = tj + (VRmax /c) x TR + dl , où VRmax est un majorant de la valeur absolue de la vitesse VRc et TR est un majorant de la durée de la phase de poursuite.
6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que tj est négligeable.
7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que δt est négligeable.
8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des intégrations supplémentaires intercalées entre lesdites intégrations, l'intervalle de temps entre deux intégrations étant supérieur ou égal à Tmin.
9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la matrice de photodétecteurs fournissant un signal de sortie, la détection d'une impulsion comprend une étape de comparaison dudit signal de sortie avec un seuil prédéterminé.
10. Procédé de désignation d'une cible illuminée par des impulsions laser de période Tl qui comprend une étape de localisation des impulsions rétro-réfléchies par la cible au moyen d'une matrice de photodétecteurs, selon l'une des revendications 2 à 9 et une étape de poursuite de la cible à partir d'un rayonnement non impulsionnel de ladite cible.
11. Système de détection d'impulsions laser qui comprend une matrice (3) de photodétecteurs comportant un dispositif (32) d'intégration de charges et une unité de traitement (5) couplée à la matrice, caractérisé en ce que l'unité de traitement comprend des moyens de mise en œuvre du procédé de détection selon la revendication 1 seule ou prise en combinaison avec l'une des revendications 3 à 9.
12. Système de localisation d'une cible qui comprend une matrice (3) de photodétecteurs comportant un dispositif (32) d'intégration de charges et une unité de traitement (5) couplée à la matrice, caractérisé en ce que l'unité de traitement comprend des moyens de mise en œuvre du procédé de localisation selon l'une des revendications 2 à 9.
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